Lys på Olie: anvendelse af laserteknologi • Click to edit Master text styles i og overvågning af oliefelter •efterforskning Second level • Third level • Fourth level • Fifth level Jens Engholm Pedersen, NKT Photonics Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Problemstillingen: På trods af nye produktionsmetoder i oliesektoren (fracking) og vigende efterspørgsel pga nedgang i verdensøkonomien, så er energiparadigmet • Click to efter edit olie Master text styles stadig olie/gas, og mange eksisterende forekomster er ved at være udtømte. • Second level Derfor• erThird derlevel et stigende pres for at udvikle metoder til bedre udnyttelse af de eksisterende • Fourtholiereserver. level • Fifth level Laserteknologi kan hjælpe til at danne billeder af fordelingen af materialer i undergrunden. Det kan anvendes til at opnå øget udbytte af eksisterende oliefelter. Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Oversigt • problemet: komplekse oliefelter, begrænset udnyttelse • Clickaftoeksisterende edit Master text styles ressourcer • Second level • løsningen: geoseismisk analyse af oliefelter (PRM) • Third level •• Hvorfor anvende lys? Fourth level • Fifth level • Hvordan anvende lys? - lysets rolle i geoseismisk analyse - krav til laser & laserløsningen - eksempler Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Komplekse oliefelter Let tilgængeligt oliefelt: Komplekst oliefelt: • Click to edit Master text styles • olien fordelt i mange små lommer • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level Statistik: • I dag udvindes typisk kun ca. 30% af et oliefelt • Forøget olieindvinding gennem geoseismisk analyse & PRM: Permanent Reservoir Monitoring Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos • kræver detaljeret indsigt i geologien for at planlægge tryksætning og placering af oliebrønde Geoseismisk analyse Danne billede af undergrunden gennem: • udsende akustisk chokbølge (airgun) • interfaces i geologiske strukturer skaber reflekterede signaler, som opsamles af et • af Second array sensorerlevel • multiple • projektioner Third level sammensættes til komplet •3DFourth billede level • Click to edit Master text styles • Fifth level Nøglekomponent : sensor / hydrofon • Traditionelle systemer baseret på elektriske transducere (piezo elekriske hydrofoner) • Nye systemer baseret på fiber optiske sensorer. Anvendelser: 1. Olieeftersøgning (streamers) 2. PRM - Permanent Reservoir Monitoring: • I dag udnyttes typisk kun 30% af et reservoir • PRM value proposition: øge udbyttet (op til 60% udnyttelse) Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos 4D seismisk metode • 3D seismiske billede: observation af fordeling af olie, gas, vand, sand osv i et • Click to edit Master text reservoir • 4D sesimisk: sammenligne 3D seismiske • Second level billeder - time-lapse sekvens over • Third level udviklingen i fordelingen af bestanddele • Fourth level • tidligere blev målinger typisk foretaget • Fifth level med flere års mellemrum => svært at fortolke data • øget frekvens i målinger (flere gange per år) + større detalje => bedre fortolkning • 4D seismisk teknologi kan således anvendes til at monitere ændringer forårsaget af produktion og/eller af injektion af fluider og gas for at forbedre indvinding af olie Men hvorfor med lys? Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos styles Hvorfor bruge lys og fiber optiske sensorer til PRM? Fiber-optiske sensorer & systemer: • Click to edit Master text styles • alle• komponenter Second level under vand er 100% passive - dvs • • • • • uden• elektronik Third level herved• opnås større pålidelighed sammenlignet med Fourth level Fifth level på elektroniske sensorer systemer• baseret gøre brug af teknikker fra optisk telekommunikation til stor-skala multiplexing indebærer, at relativt få fiberkabler kan opsamle signaler fra mange tusinde sensorer opererer med meget stor båndbredde, hvilket giver hurtigere dataopsamling. lang rækkevidde (mange gange 10-100 km) Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Hvordan anvendes lys til fiberoptisk sensing af akustiske bølger: fiber optiske hydrofoner un-balanced Michelson interferometer: • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level ændring i fiberens brydningsindex pga strain: • Hver sensor består af et fiber-optisk interferometer (som i et PRM system ligger på/i havbunden) • interferometeret er følsomt over for akustik gennem fiberens elasto-optiske følsomhed (fiberens brydningsindex påvirkes af strain) • en laser måler fasen i interferometeret ved (f.eks.) at låse laserens frekvens til interferometerets kvadraturpunkt: fejlsignalet indeholder information om interferometerets fase, som indeholder information om trykket, som varierer med styrken af det akustiske signal Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos : strain : Poissons forhold p12/p11: elementer i fiberens strain-optiske tensor For at overføre lydtryk til fiber strain er delayfiberen typisk viklet omkring en ’compliant mandrel’, hvor den anden fiberarm placeres i cylinder centrum: Fasestøj i interferometer & krav til laser • sensor skal kunne måle akustiske niveauer svarende til DSS0 = Deep Sea State Zero • Click to edit Master text styles • Forholdene for udbredelse af akustiske signaler i undergrunden geoseismik interesserer sig for lave • akustiske frekvenser, typisk 1 – 1000 Hz Second level • Third level • Laserstøj: •lavFourth så den ikke begrænser level sensorelementets følsomhed. • Fifth level • Ved måling af fasen i et interferometer er laserens fase- eller frekvensstøj den vigtigste begrænsende støjkilde • Laser frekvensstøj omsættes til fasestøj i sensorelementets interferometer: Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos low frequency phase noise challenge Laser med lav frekvensstøj: DFB fiber laser passive fiber photo-sensitive & rare earth doped fiber passive fiber • Click to edit Master text styles • Second level • Third level Pump light • Fourth level • Fifth level Laser wavelength: lB = LB ∙ n(lB,,T) dlgap = lB/4 Stimulated laser Typical length: few cm emission at wavelength lB Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Hvorfor har DFB Fiberlaseren lav frekvensstøj? rare earths + fiber • Click to edit Master text styles • Second level Light confinement to • Third level fiber waveguide (5 mm) • Fourth level Stable pump laser coupling Well defined and stable spatial mode (single mode fiber) • Fifth level •High intensities @ low power •Long pump/signal interaction length combined with long radiative lifetimes of RE’s: low threshold => high ratio between coherent and incoherent light in laser field & long cavity ultra low linewidth & quantum limited frequency noise Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Easy operation – no alignment MEN: frekvensstøjen er stadig for stor ved frekvenser under ca 10 – 100 Hz kvantebegræset frekvensstøj (Shawlow-Townes – ca. værdi) Reduktion i lavfrekvent frekvensstøj: X15 • 1/f komponenten i frekvensstøjen repræsenterer timing jitter af en • Click to edit Master text styles spektralt smal laserlinie • låsning til en stabil reference kan derfor anvendes til at reducere • Second level frekvensstøjen • Udviklingsprojekt i samarbejde med DFM ledte til en væsentlig • Third level reduktion• i frekvensstøj Fourth level i intervallet fra ca 1 Hz – 10 kHz X15 laseren • Fifth level Frequency stabilized fiber DFB laser module (X15) • reduceret frekvensstøj • Under den geoseismiske grænse Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos kvantebegræset frekvensstøj (Shawlow-Townes – ca. værdi) DFB fiber laser / Multikanal lasersystemer • • • • • • • Kompact & modulær Click to edit Master text styles Single mode, • Second levelsingle frequency • Third level Smal liniebredde ( 100 Hz) • Fourth level Lang •kohærenslængde >50 km Fifth level Lav frekvensstøj Lav intensitetsstøj Lavt effektforbrug ( 5-7 W) Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos PRM systemer: hvor? • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level “Snorre has an ambition to improve the recovery rate from the current level of 46 per cent to 55 per cent. Grane's ambition is to increase the recovery rate from 56 to 65 per cent. Permanent reservoir monitoring will help achieve these ambitions.” Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos PRM system at Ekofisk: Optoplan / Optowave Optowave - Optoplan and Statoil: • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level Ekofisk • deployment 2010 • 4000 sensor stations covering a seabed area • • • • • Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos of approx. 60 km2 wavelength & time division multiplexing wet-end system: 24000 FBG’s, > 3500km optical fibre sensor station spacing 25 - 50m, parallel cables spaced by 200 - 400 meters seismic stations trenched into the sea floor probably be the largest single fibre optic sensor network ever made Optowave configuration • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level Optowave: fibre optic Ocean Bottom seismic Cable (OBC) configuration Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos {figure courtesy of Optoplan} Transmitter: • wavelength multiplexed multi-channel (n) low phase noise CW fibre laser source • modulator module: • intensity modulator (pulser): generate required TDM pulses • stabilized compensating M-Z interferometer (CIF): generate pulse pair with a pulse separation of 100ns matching the delay of the sensing interferometers • booster amplifier • 1xN splitter: splits light into N downlead fibres in the lead-in cable to the wet-end system Receiver: • N optical de-multiplexers connected to the N uplead fibres, each with n channels • receivers and demodulators • data integration module Fiber optic sensor station configuration • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level • • • • • • Ax, Ay, and Az: x, y, and z-accelerometer coils H: hydrophone coil ref: reference coil All FBGs in a sensor station have the same wavelength (here λ1) Input, transmitted and reflected pulses Five grey reflected pulses are overlapping, interfering pulses containing the individual sensor information Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos OBC sensor station package • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level Sensor station • Fifthassembly level Seismic cables OBC sensor station package: Offshore installation of seismic cable Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos {figures courtesy of Optoplan} Seismic measurements & sections • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos Eksempel på PRM system: Jubarte Jubarte nøgletal: • • • • • • • • • • • • • • • Click to edit Master text styles beliggenhed: 77 km fra Brasiliens kyst estimeret oliereserve: 600 millioner tønder • Second level operatør: Petrobras total areal af feltet: 245 km2 • Third level dybde: 1185 – 1365 meter • Fourth level PRM system: Optoseis, installation 2012 • PGS Fifth level PRM system dækker 9 km2, men kan måle på ca 35 km2 36 km seismiske kabler 712 sensorstationer (hver med 4 interferometriske sensorer, 3 accelerometre og 1 hydrofon) sensorstationer fordelt i et 50 x 300 m netværk verdens første dybvands PRM system 3 aktive seismiske målinger gennemført PRM systemet forventes at lede til et væsentlig forøget udbtte af feltet (olie & gas) resultaterne fra de gennemførte målekampagner er allerede blevet anvendt til omplacering af oliebrønde Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos PGS Optoseis: sensor & system PGS Optoseis optiske sensorer er baseret på Michelson interferometre. Under sesimisk måling er faseskiftet i interferometeret proportionalt med styrken af det akustiske signal. • Click to edit Master text styles • Hver OptoSeis sensorstation indeholder 3 orthogonalt monterede accelerometre + en level hydrofon. • Third Second level • Fourth Alle 4 komponenter er level 100% passive fiber optiske enheder. • Fifth level Sensorstationen er trykbalanceret for at kunne virke på stor dybde. Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos PGS Optoseis / Jubarte: system • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level PGS OptoSeis / Jubarte opto-elektronisk system med laserenheder og optisk demodulator NKT Photonics AcoustiK multiplexed laser: PGS OptoSeis / Jubarte: kabler med sensorstationer Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos PGS OptoSeis / Jubarte PRM system – installation, billeder • Click to edit Master text styles • Second level • Third level • Fourth level • Fifth level kabler med sensorstationer på tromle udlægning af kabler med sensorstationer kabler med sensorstationer på dybt vand “wet mate” station: udlægning og på dybt vand Photonic Crystal Fibers • Koheras • SuperK • Argos
© Copyright 2024